Introduzione
Datare un reperto fossile, una roccia o anche un reperto archeologico è molto importante in quanto riusciamo effettivamente a capire la dimensione temporale del soggetto di studio rispondendo ad una semplice domanda: quanto è antico?
In linea di massima esistono tre diversi metodi di studi: quelli radiometrici, di cui parleremo tra poco; quelli incrementali, che si basano sull’accumulo regolare di materiale biologico o di materiale sedimentario; quelli che stabiliscono l’equivalenza dell’età attraverso makers stratigrafici. Naturalmente qui i vari metodi verranno accennati per dare una sorta di infarinatura generale, mentre in futuro ogni singolo metodo avrà la sua pagina apposita trattando nel dettaglio ogni singolo particolare.
I METODI RADIOMETRICI
Questo metodi si basano sull’abbondanza di un determinato isotopo radioattivo e dei suoi prodotti di decadimento, che decade secondo tempi ben precisi permettendoci di datare.
Prima di spiegare ogni tipo di metodo di datazione radiometrica, dobbiamo soffermarci su su alcuni termini e definizioni di chimica e fisica(non spaventatevi!).
Questi metodi si basano sulle proprietà radioattive di alcuni isotopi instabili che subiscono un cambiamento dell’organizzazione atomica, spontanea, per acquisire una forma atomica più stabile. Facciamo il ripasso dei seguenti termini.
Numero atomico: è il numero di protoni in un atomo.
Peso atomico: somma delle masse di neutroni e protoni.
Numero di massa atomica: somma del numero di neutroni e protoni.
Isotopo: specie atomica di un elemento in cui varia il numero di neutroni, modificando di conseguenza il numero di massa atomica.
La particelle che costituiscono il nucleo, quindi i protoni e i neutroni che sono legati, è stabile fino a quando il numero di neutroni diventa troppo elevato, o troppo poco elevato(particella instabile) aumentando le forze repulsive tra le particelle dello stesso segno(negativo con negativo, o positivo con positivo) superando la forza di coesione che teneva unite le particelle. Questo evento dà luogo ad un rilascio spontaneo di energia o particelle che sta alla base della radioattività. Le particelle rilasciate sono:
-Particelle alfa: consistono in 2 protoni e 2 neutroni(nuclei di elio carichi positivamente che scontrandosi con le particelle circostanti acquisiscono elettroni per formare l’elio gassoso). La loro emissione cambia il numero atomico;
-Particelle beta: sono elettroni carichi negativamente e la loro emissione non cambia la massa ma il numero atomico. Quindi l’elettrone può spostarsi tra un’orbita ed un’altra, oppure persino trasferirsi nel nucleo che entrerà in uno stato sovraeccitato emettendo raggi gamma
-Raggi gamma: donano proprietà termoluminescenti ai minerali.
Decadimento radioattivo
Una volta che ci siamo rinfrescati la mente con questi termini, facciamo la conoscenza del decadimento radioattivo. E’ un processo fisico-nucleare i quali alcuni nuclei atomici instabili o radioattivi decadono(si modificano) in un certo periodo di tempo chiamato tempo di decadimento in nuclei ad energia minore, raggiungendo così un maggiore stato di stabilità. Vedremo meglio il decadimento attraverso i vari metodi.
1)Il radiocarbonio(o carbonio-14)
Questo è probabilmente uno dei metodi più conosciuti che ci permette di datare reperti antichi fino a 40.000 anni(in certi casi anche 60.000 anni). Si basa si forma negli strati della troposfera e della stratosfera da neutroni di Azoto e neutroni. Il C-14 può decadere(quindi trasformarsi di nuovo) in Azoto-14, ed il tempo di dimezzamento è di 5730 anni.
Gli atomi di C-14 vengono ossidati in CO2, per essere mescolati assieme ad altre molecole di anidride carbonica nell’atmosfera per essere ‘assorbiti dagli esseri viventi e dagli oceani. Se l’organismo è vivo, il C-14 viene rimesso in circolo, altrimenti rimani all’interno dell’organismo nel caso della morte dello stesso. Non venendo rimesso in circolo, il C-14 decadrà all’interno dei tessuti organici o mineralizzati calcolando l’età di morte della residua attività del C-14.
Con il Carbonio-14 esistono due metodi di datazione:
–La datazione tradizionale al radiocarbonio, in cui si contano e si registrano le particelle beta emesse dagli atomi di 14-C in un dato periodo di tempo;
–La spettrometria di massa con acceleratore, che usa acceleratori di particelle come spettrometri di massa per contare gli atomi di C-14. Cambia dal primo metodo in quanto non si contano i numeri di prodotti dovuti al decadimento.
2)Datazione potassio/argon argon/argon
Questo metodo è utilissimo per datare rocce vulcaniche, con le datazioni che diventano più affidabili dai 100.000 anni in su, a patto che le rocce in questioni contengano potassio. Il K-40 decade per emissione di raggi beta in Ca-40(calcio), ma non è affidabile in quanto esso è molto abbondante. Oppure può decadere in An-40(argon) per cattura elettronica, rimanendo intrappolato nel reticolo cristallino cristallino. L’argon è un gas, quindi la premessa è che esso non debba minimamente fuoriuscire dal reticolo cristallino, ma fortunatamente molti di essi riescono a trattenere bene questo gas.
Un altro metodo è An-40/An-39( o argon/argon) che può datare sia rocce recenti che antiche, a patto che il campione studiato non superi i 10g.
3)Datazione con la serie dell’Uranio
Qui i giochi incominciano a farsi interessanti in quanto Uranio-235, Uranio-238 e Torio-232 decadono tutti in Piombo, formando una serie di nuclidi intermedi che saranno utilizzati per la datazione dei reperti. L’Uranio generalmente è contenuto in prodotti solubili in H2O, mentre tendono a sedimentare i prodotti contenenti Torio.
In fisica nucleare, l’equilibrio è una situazione in cui la quantità di dell’isotopo radioattivo rimane costante, in quanto il suo tasso di produzione come il decadimento è uguale al suo tasso di decadimento. Se la serie di decadimento non si interrompe, gli isotopi genitori e
figli rimangono in equilibrio radioattivo. Se invece la serie è interrotta, il sistema va in disequilibrio(ad esempio, perdita di Radon) per ritornare in uno stato di equilibrio grazie ad un nuovo decadimento. Quando il decadimento dell’Uranio viene interrotto ed alcuni prodotti vengono espulsi, e quindi ci troviamo in uno stato di disequilibrio, possiamo incominciare a datare:
_Th-230/U-234 viene utilizzato per datazioni tra fino ai 350.000 anni;
_Pa-231(protoattinio)/U-234 e Pa-231/Th-230 vengono utilizzati per datazioni comprese tra i 200.000 e i 250.000 anni.
L’età dei sedimenti di fondo lacustre e marino viene stimata misurando il tasso di decadimento del Torio o del Protoattinio, mentre l’età dei carbonati fossili, denti e ossa viene misurata e ricavata dagli accumuli dei prodotti di decadimento dell’Uranio contenuto nei carbonati. Questi due metodi di datazione si basano sull’eccesso o la deficienza di nuclidi che si formano durante il disequilibrio.
4)La datazione a tracce di fissione
Questo metodo viene utilizzato per datare i cristalli che contengono U-238 e si basa sulla fissione spontanea di quest’isotopo, che causa la ionizzazione degli atomi vicini creando una sorta di serie di “schegge di esplosione”. Calcolando il numero delle schegge, si riesce capire il tempo di fissione.
5)Termoluminescenza
E’ un metodo che si può applicare a qualsiasi materiale, purchè contenga Uranio, Torio o Potassio, oppure qualsiasi materiale nelle vicinanze di questi isotopi in quanto verranno bombardati da raggi alfa, beta e gamma. I materiali, quindi, si ionizzano catturando elettroni che verranno rilasciati attraverso il riscaldamento del materiale che emetterà una luce, che sarà “intensa” in base al numero di elettroni catturati nel reticolo cristallino. L’intensità della termoluminescenza, quindi, è proporzionale alla quantità di radiazione ricevuta ogni anno.
Altri metodi:
–Luminescenza stimolata otticamente, in cui il materiale viene bombardato con radiazioni in funzione del numero di elettroni presenti. Questo metodo viene utilizzato solo per datare i minerali calcolando un’età massima di 300.000 anni;
–Electron spin resonance, il materiale viene immerso in un campo elettromagnetico, calcolando la quantità di radiazioni immagazzinata;
–Berillio-10, permette la datazione dei ghiacciai attraverso il calcolo della quantità cosmica che li bombarda.
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